基于碳化硅片上集成的偏振分束器

本发明涉及的是一种光学波导领域的技术，具体是一种基于碳化硅片上集成的偏振分束器。

背景技术：

1、在集成光路中，为了实现超宽的工作带宽和较小的传输损耗，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光器件，其中一类重要的器件是偏振分束器。偏振分束器是用来克服基于soi的光子器件具有高偏振敏感性的缺点的光器件，它可以将不同偏振的输入光分开，并可以沿着不同的方向传播，从而实现极化处理。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法控制光模场在sic层中的占比以及需要离子注入来引入非线性的不足，提出一种基于碳化硅片上集成的偏振分束器，通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，充分利用碳化硅材料的优良特性以克服传统硅的部分限制，满足tm模式的相位匹配条件而不满足te模式的相位匹配条件，再通过不同宽度的硅波导发生耦合，从而实现偏振分束的极化处理功能的同时与微电子cmos工艺相兼容，制备过程较简单。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于碳化硅片上集成的偏振分束器，在sicoi平台上加工实现且既可传播te模也可传播tm模，包括：硅衬底、碳化硅层、掩埋氧化硅层、输入波导、输出波导以及位于其间的中间波导，其中：输入波导设置于中间波导上侧，输出波导设置于中间波导下侧，通过输出波导和中间波导满足tm模式的相位匹配条件而不满足te模式的相位匹配条件以及输入波导、输出波导和中间波导之间的耦合实现偏振分束的极化处理。

4、所述的输入波导、输出波导的宽度相同且均小于等于中间波导的宽度，以使tm模式两次耦合满足相同的相位匹配条件的同时可根据实际使用调整输入、输出波导的宽度和中间波导的宽度。

5、所述的相位匹配条件即为两个宽度下，两种模式的有效指数neff相等，这样便可以实现模式从一个波导耦合到另一个波导中，具体为：输入波导宽度为0.65μm，中间波导宽度对应为1.85μm，此时输入波导tm0模与中间波导tm1模的有效指数neff相等，而这两个宽度下te偏振并不满足相位匹配条件。而输出波导宽度则跟输入波导保持一致，这样方便中间波导tm1模再次发生耦合，耦合到输出波导中以tm0模式的形式从交叉端口输出，同时宽度保持一致有利于提高二次耦合的耦合效率。te偏振由于并不满足相位匹配条件，几乎不发生任何耦合，经过一个s型波导由直通端口输出。这样输入的te0模式与tm0模式在空间上被分离，实现碳化硅集成光波导中的偏振分束功能。

6、技术效果

7、本发明通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，碳化硅材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子cmos工艺相兼容，制备过程较简单。在1450-1650nm的带宽范围内，te通端口输出插入损耗小于-1db，消光比高于11db；在1450-1650nm的带宽范围内，tm交叉端口输出插入损耗小于-1.4db，1550-1600nm的带宽范围内消光比高于16db。

技术特征：

1.一种基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征在于，包括：硅衬底、碳化硅层、掩埋氧化硅层、输入波导、输出波导以及位于其间的中间波导，其中：输入波导设置于中间波导上侧，输出波导设置于中间波导下侧，通过输出波导和中间波导满足tm模式的相位匹配条件而不满足te模式的相位匹配条件以及输入波导、输出波导和中间波导之间的耦合实现偏振分束的极化处理。

2.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征是，所述的输入波导、输出波导的宽度相同且均小于等于中间波导的宽度，以使tm模式两次耦合满足相同的相位匹配条件的同时可根据实际使用调整输入、输出波导的宽度和中间波导的宽度。

3.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征是，所述的相位匹配条件即为两个宽度下，两种模式的有效指数neff相等，以实现模式从一个波导耦合到另一个波导中，具体为：输入波导宽度为0.65μm，中间波导宽度对应为1.85μm，此时输入波导tm0模与中间波导tm1模的有效指数neff相等。

4.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征是，所述的掩埋氧化硅层的折射率n＝1.445，厚度为500nm。

5.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征是，折射率分布为n1≈3.42，n2≈2.57，其中：n1为硅材料折射率，n2为碳化硅材料折射率。

6.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成且同时传播te模和tm模的偏振分束器，其特征是，光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。

技术总结一种基于碳化硅片上集成且同时传播TE模和TM模的偏振分束器，包括：硅衬底、碳化硅层、掩埋氧化硅层、输入波导、输出波导以及位于其间的中间波导，输入波导设置于中间波导上侧，输出波导设置于中间波导下侧，通过输出波导和中间波导满足TM模式的相位匹配条件而不满足TE模式的相位匹配条件以及输入波导、输出波导和中间波导之间的耦合实现偏振分束的极化处理。本发明充分利用碳化硅材料的优良特性以克服传统硅的部分限制，满足TM模式的相位匹配条件而不满足TE模式的相位匹配条件，再通过不同宽度的硅波导发生耦合，从而实现偏振分束的极化处理功能的同时与微电子CMOS工艺相兼容，制备过程较简单。技术研发人员：张永,陈雨琦,徐子涵,沈健,苏翼凯受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16